Question

【题目】据报道，我国在南海北部神狐海域进行的可燃冰（甲烷的水合物)试采获得成功。甲烷是一种重要的化工原料。

（1）甲烷重整是提高甲烷利用率的重要方式，有以下三种：

部分氧化：CH4(g)+ O2(g)CO(g)+2H2(g) ΔH1=-35.9kJ·mol-1 ①

水蒸气重整：CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g) ΔH2=+205.9kJ·mol-1 ②

CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) ΔH3=-41.2kJ·mol-1 ③

二氧化碳重整：CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g) ΔH4 ④

则反应②自发进行的条件是________________，ΔH4 =_____________kJ·mol-1。

（2）起始向密闭容器中充入一定量的CH4(g)和O2(g)，发生反应①。CH4(g)的平衡转化率与温度（T）和压强（P）的关系如图所示。

①N、P两点的平衡常数：K(N)_______K(P)（填“＞”“＜”或“=”）,理由是_________。

②M、N两点的H2的物质的量浓度c(M)______c(N)（填“＞”“＜”或“=”）。

（3）合成气CO和H2在一定条件下能发生如下反应：CO(g) +2H2(g)CH3OH(g)。在容积均为V L的甲、乙、丙三个密闭容器中分别充入amol CO和2a mol H2，三个容器的反应温度分别为T1、T2、T3且恒定不变，在其他条件相同的情况下，实验测得反应均进行到t min时CO的体积分数如图所示，此时三个容器中一定处在化学平衡状态的是_________（填“T1”或“T2” 或“T3”）；该温度下的化学平衡常数为___________（用a、V表示）。

（4）光能储存一般是指将光能转换为电能或化学能进行储存，利用太阳光、CO2、H2O生成甲醇的光能储存装置如图所示，制备开始时质子交换膜两侧的溶液质量相等。则b极的电极反应式为___________________；当电路中有3mol电子转移时，质子交换膜两侧溶液相差_________g。

Answer 1

【答案】 高温 +247.1 ＞ 反应①为放热反应，温度升高，平衡逆向移动，CH4(g)的平衡转化率降低，所以T1＜T2,故P点平衡常数小于N点 ＜ T3 9V2/2a2 CO2+6e﹣+6H+=CH3OH+H2O 52

【解析】（1）本题考查自发反应的判断和盖斯定律的应用，根据符合判据，△G=△H－T△S，自发进行要求△G<0，根据②反应，此反应是吸热反应，即△H>0，反应前气体的系数和小于反应后气体系数和，此反应是熵增，即△S>0， 此反应自发进行的条件是高温，根据盖斯定律，②－③得出△H4=(205.9＋41.2)kJ·mol－1=＋247.1kJ·mol－1；（2）考查化学平衡常数、影响化学平衡常数的因素、勒夏特列原理，反应①是放热反应，作等压线，升高温度，甲烷的转化率降低，即T2>T1，化学平衡常数只受温度的影响，因此根据化学平衡常数的定义，推出K(N)>K(P)； ②N点的压强大于M点，依据勒夏特列原理，增大压强，平衡向体积减小的方向移动，针对反应①，增大压强平衡虽然向逆反应方向移动，但平衡移动的趋势微弱，组分浓度增大，即氢气的浓度c(M)<c(N)；（3）本题考查化学平衡状态的判断、化学平衡常数的计算，随着反应的进行，CO的体积分数应是降低，当达到平衡，升高温度，平衡向逆反应方向进行，CO的体积分数增大，即T3达到平衡，T2不知道是不是最低点，无法确定是否达到平衡；CO(g) +2H2(g)CH3OH(g)

起始物质的量：a 2a 0

变化： x 2x x

平衡： a-x 2(a-x) x 根据图像，因此有(a－x)/(3a－2x)×100%=20%，解得x=2a/3，根据平衡常数的表达式，K= ，代入数值，解得K=9V2/2a2；（4）本题考查电极反应式的书写和电化学计算，根据工作原理，b极上生成甲醇，且此装置的环境是酸性，因此b电极反应式为CO2+6e﹣+6H+=CH3OH+H2O，a极反应式为2H2O－4e－=O2↑＋4H＋，b极溶液增加CO2和H＋量，a极溶液减少O2和H＋的量，当电路中有3mol电子转移，b极增加了1/2molCO2和3molH＋，即质量增加为(22＋3)g=25g，a极减少3/4molO2，为了平衡b极阴离子，需要从a电极向b电极移动3molH＋，即b极质量减少(24g＋3g)=27g，因此两极溶液质量相差(27＋25)g=52g。